JP5385555B2 - 生体検査システム、生体検査装置および生体検査方法 - Google Patents
生体検査システム、生体検査装置および生体検査方法 Download PDFInfo
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Description
そこで、本出願人は、磁気を発生するコイルを用いて、生体の部位の動きを検出することが可能な生体検査装置を提案している(特許文献1参照)。特許文献1の技術によれば、指運動の動きから得た波形を解析することで、脳神経疾患患者か健常者かを高精度で判定することができる。
そこで、本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、被験者の指運動を力学的に解析し、被験者の指運動に使用される筋肉の硬さ等に関する適切な評価指標を求めることを課題とする。
以下、まず、本発明の第1の実施形態について説明する。
<<構成>>
図1は、第1の実施形態の生体検査システムの全体構成図である。第1の実施形態の動作の流れに沿って、各構成について詳細に説明する。
処理部121は、出力信号107に基づいて、被験者の指運動を力学的に解析し、その解析結果等を表示部124に表示等させるものであり、例えば、CPU(Central Processing Unit)によって実現される。
表示部124は、処理部121によって生成されたデータや解析結果等を表示するものであって、例えば、LCD(Liquid Crystal Display)やCRT(Cathode Ray Tube)ディスプレイ等から構成される。
信号入力部125は、アンプ回路106からの出力信号107の入力を受け付けるインタフェースである。
図2に示すように、電流発生用アンプ回路110と接続された発信用コイル102がコイル装着部材22に巻き付けられ、そのコイル装着部材22と接着しているバンド部24が親指Tに取り付けられることで、コイル装着部材22と発信用コイル102とが親指Tに対して固定されている。
なお、バンド部23,24は、ゴムやスポンジ等から構成され、指の大きさ(太さ)の個人差を吸収できるものが好ましい。
次に、第1の実施形態の運動力学的な解析モデルについて説明する。なお、以下において、機械インピーダンスとは、物体(ここでは指)の動きにくさを示す量であり、物体の質量、物体が動作するときの機械抵抗(摩擦等)、バネ定数(ここでは腱がバネに相当)等に依存して決定する量である。電気回路におけるインピーダンスに相当することから、その名が付けられている。
ここで、解析モデルに関する理解を助けるために、測定方法とその解析結果の一例について説明する。
指運動を測定する場合、被験者は、図2のように、発信用コイル102を親指Tに装着し、受信用コイル101を人差し指Fに装着し、その状態でタッピングを行い、そのときの両コイル間の距離を計測する。なお、バンド部23,24の代わりに、医療用両面テープ等を使用して、発信用コイル102を親指Tの爪に装着し、受信用コイル101を人差し指Fの爪に装着するようにしてもよい。また、発信用コイル102と受信用コイル101の配置はどちらが親指Tあるいは人差し指Fであってもよく、取り付け位置も爪の位置に限ることはない。
図4のA/Vの値と周波数との関係も引用しながら、タッピングの筋力学モデルについて説明する。
まず、指先に質量Mがあり、速度V・加速度Aで開閉していると考える。そして、この質量Mの動作は、伸展力(Ft)に影響する機械インピーダンスZtと、開閉の力(Fm)に影響する機械インピーダンスZmとのバランスで成り立っていると考える。ここで、力Ftは常に指の閉まる(指同士が近づく)方向に指先の質量Mを押していると考える。このようなモデルの場合、Ztは主に伸筋腱(指の腱の一つ)を、Zmは主に虫様筋(指の筋肉の一つ)に基づいて決定する機械インピーダンスであると考えられる。
図6に示すように、Zm/M(符号61,62)については周波数依存が小さく、一定値に近いことが分かる。一方、Zt/M(符号63,64)については、周波数の増加と共に急激に減少していくことが分かる。
図7(a)に示すように、Zmは、次の式(8)で表される。
タッピングの筋力学モデルとして、二指の伸展力に関する機械インピーダンスZmを主に虫様筋等の指の開閉を司る筋肉等の機械抵抗Rmとして仮定し、二指の開閉力に関する機械インピーダンスZtを主に伸筋腱等に代表されるバネ的役割を果たすコンプライアンスCm(1/Kt)として仮定することが、タッピングの筋力学モデルに適していると考えられる。
次に、図10〜図12を参照しながら、第1の実施形態のタッピングの筋力学モデルに関する非周期検査による実験のデータについて説明する。図10は、脳疾患等の既往歴のない健康な高齢者(以下、単に「高齢者」ともいう。)5名を被験者として行った実験に関するデータである。図10(a)において、横軸は高齢者ID、縦軸はRm/Mの値(各高齢者について、左の棒グラフが左手、右の棒グラフが右手)を示している。同様に、図10(b)において、横軸は高齢者ID、縦軸はKt/Mの値を示している。
例えば、本発明は、パーキンソン病の検査に適用される他、例えば、脳梗塞等、他の脳神経疾患やリウマチなどの変性疾患の検査にも有効に利用することができる。
その他、ハードウェア、プログラム等の具体的な構成について、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。第1の実施形態との違いは、二指を開いた(開ききった)状態の近く(以下、「開放状態近傍」という。)での指の運動と、二指を閉じた(二指が接触した)状態の近く(以下、「接触状態近傍」という。)での指の運動と、を分離して扱い、二指の運動に関して、より詳細なモデル化および各計算を行うことにある。
第2の実施形態の生体検査システムの構成は、第1の実施形態の生体検査システムの構成(図1、図2)と同様なので、説明を省略する。
図13(c)において、ポイントCP2は、クロージング(閉運動区間)の加速度のプラスのピーク(極大値)時を示し、ポイントCP3は、クロージングの加速度のマイナスのピーク(極大値)時を示している。
次に、第2の実施形態の運動力学的な解析モデルについて説明する。なお、第1の実施形態と同様の事項については、説明を適宜省略する。式(1)、式(2)、式(3)およびその前提となる考え方については、第1の実施形態と同様である。
次に、図18を参照しながら、第2の実施形態の実験のデータについて説明する。被験者は、脳疾患等の既往歴のない健康な男女(複数ずつ)の中高齢者である。図18(a1)、(a2)は二指の開放状態近傍の運動に関するデータであり、図18(b)は二指の接触状態近傍の運動に関するデータである(いずれのデータも周波数2Hz程度の場合のもの)。
なお、図18(a1)、(b)において、各値に付した「T」の形状の上端は各値の標準偏差を示している。これにより、ほとんどの値は、標準偏差が小さい、つまり、ばらつきが少なく信頼性のあるデータであることがわかる。
例えば、第1の実施形態と同様、各機械インピーダンスを、二指の質量で除算して規格化したり、それぞれの平均値および標準偏差によって正規化したりして、評価指標とすることができる。
その他、ハードウェア、プログラム等の具体的な構成について、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
102 発信用コイル
103 プリアンプ回路
104 検波回路
105 LPF回路
106 アンプ回路
107 出力信号
108 生体検査装置
109 交流発生回路
110 電流発生用アンプ回路
111 位相調整回路
112 参照信号
121 処理部
122 記憶部
123 情報入力部
124 表示部
125 信号入力部
S 生体検査システム
Zm,Zt,Z1,Z2 機械インピーダンス
Claims (20)
- 被験者の片手の二指の開閉動作であるタッピングにおける、前記二指の間の距離、前記二指の速度、前記二指の加速度のいずれかに関する情報である運動情報を検出するタッピング検出装置と、
前記タッピング検出装置から得られた運動情報に基づいて、前記被験者の指運動に関する評価指標を算出する生体検査装置と、を備えた生体検査システムであって、
前記生体検査装置は、
記憶部と、処理部と、を有し、
前記処理部は、
前記タッピング検出装置から得られた運動情報に基づき、前記速度および前記加速度を取得または計算し、
前記取得または計算した前記速度および前記加速度を用いて、前記二指の伸展力に関する前記評価指標、および/または、前記二指の開閉力に関する前記評価指標を算出し、
前記算出した評価指標を前記記憶部に記憶する
ことを特徴とする生体検査システム。 - 前記評価指標は、前記速度と前記加速度との比を用いた筋力学モデルに基づく所定の計算式で算出される、前記二指の伸展力に関する機械インピーダンスと、前記二指の開閉力に関する機械インピーダンスとであり、
前記処理部は、
前記二指の伸展力に関する機械インピーダンスと、前記二指の開閉力に関する機械インピーダンスと、をさらに前記二指の質量で除算して規格化した値に変換して前記評価指標として算出する
ことを特徴とする請求項1に記載の生体検査システム。 - 前記処理部は、
前記二指の伸展力に関する機械インピーダンスと、前記二指の開閉力に関する機械インピーダンスと、をさらにそれぞれの平均値および標準偏差によって正規化した値に変換して前記評価指標として算出する
ことを特徴とする請求項2に記載の生体検査システム。 - 前記処理部は、
前記二指の伸展力に関する機械インピーダンスを機械抵抗として算出し、前記二指の開閉力に関する機械インピーダンスをコンプライアンスまたはバネ定数として算出する
ことを特徴とする請求項2に記載の生体検査システム。 - 前記所定の計算式は、
前記二指の開動作に関する前記速度/前記加速度の値と、前記二指の閉動作に関する前記速度/前記加速度の値と、を加算して2で除算した値を前記二指の伸展力に関する機械インピーダンスの値として算出する式、
および、
前記二指の開動作に関する前記速度/前記加速度の値から、前記二指の閉動作に関する前記速度/前記加速度の値を、減算して2で除算した値を前記二指の開閉力に関する機械インピーダンスの値として算出する式、である
ことを特徴とする請求項2に記載の生体検査システム。 - 被験者の片手の二指の開閉動作であるタッピングにおける、前記二指の間の距離、前記二指の速度、前記二指の加速度のいずれかに関する情報である運動情報を検出するタッピング検出装置から得られた運動情報に基づいて、前記被験者の指運動に関する評価指標を算出する生体検査装置であって、
記憶部と、処理部と、を有し、
前記処理部は、
前記タッピング検出装置から得られた運動情報に基づき、前記速度および前記加速度を取得または計算し、
前記取得または計算した前記速度および前記加速度を用いて、前記二指の伸展力に関する前記評価指標、および/または、前記二指の開閉力に関する前記評価指標を算出し、
前記算出した評価指標を前記記憶部に記憶する
ことを特徴とする生体検査装置。 - 前記評価指標は、前記速度と前記加速度との比を用いた筋力学モデルに基づく所定の計算式で算出される、前記二指の伸展力に関する機械インピーダンスと、前記二指の開閉力に関する機械インピーダンスとであり、
前記処理部は、
前記二指の伸展力に関する機械インピーダンスと、前記二指の開閉力に関する機械インピーダンスと、をさらに前記二指の質量で除算して規格化した値に変換して前記評価指標として算出する
ことを特徴とする請求項6に記載の生体検査装置。 - 前記処理部は、
前記二指の伸展力に関する機械インピーダンスと、前記二指の開閉力に関する機械インピーダンスと、をさらにそれぞれの平均値および標準偏差によって正規化した値に変換して前記評価指標として算出する
ことを特徴とする請求項7に記載の生体検査装置。 - 前記処理部は、
前記二指の伸展力に関する機械インピーダンスを機械抵抗として算出し、前記二指の開閉力に関する機械インピーダンスをコンプライアンスまたはバネ定数として算出する
ことを特徴とする請求項7に記載の生体検査装置。 - 前記所定の計算式は、
前記二指の開動作に関する前記速度/前記加速度の値と、前記二指の閉動作に関する前記速度/前記加速度の値と、を加算して2で除算した値を前記二指の伸展力に関する機械インピーダンスの値として算出する式、
および、
前記二指の開動作に関する前記速度/前記加速度の値から、前記二指の閉動作に関する前記速度/前記加速度の値を、減算して2で除算した値を前記二指の開閉力に関する機械インピーダンスの値として算出する式、である
ことを特徴とする請求項7に記載の生体検査装置。 - 被験者の片手の二指の開閉動作であるタッピングにおける、前記二指の間の距離、前記二指の速度、前記二指の加速度のいずれかに関する情報である運動情報を検出するタッピング検出装置から得られた運動情報に基づいて、前記被験者の指運動に関する評価指標を算出する生体検査装置による生体検査方法であって、
前記生体検査装置は、記憶部と、処理部と、を有し、
前記処理部は、
前記タッピング検出装置から得られた運動情報に基づき、前記速度および前記加速度を取得または計算し、
前記取得または計算した前記速度および前記加速度を用いて、前記二指の伸展力に関する前記評価指標、および/または、前記二指の開閉力に関する前記評価指標を算出し、
前記算出した評価指標を前記記憶部に記憶する
ことを特徴とする生体検査方法。 - 前記評価指標は、前記速度と前記加速度との比を用いた筋力学モデルに基づく所定の計算式で算出される、前記二指の伸展力に関する機械インピーダンスと、前記二指の開閉力に関する機械インピーダンスとであり、
前記処理部は、
前記二指の伸展力に関する機械インピーダンスと、前記二指の開閉力に関する機械インピーダンスと、をさらに前記二指の質量で除算して規格化した値に変換して前記評価指標として算出する
ことを特徴とする請求項11に記載の生体検査方法。 - 前記処理部は、
前記二指の伸展力に関する機械インピーダンスと、前記二指の開閉力に関する機械インピーダンスと、をさらにそれぞれの平均値および標準偏差によって正規化した値に変換して前記評価指標として算出する
ことを特徴とする請求項12に記載の生体検査方法。 - 前記処理部は、
前記二指の伸展力に関する機械インピーダンスを機械抵抗として算出し、前記二指の開閉力に関する機械インピーダンスをコンプライアンスまたはバネ定数として算出する
ことを特徴とする請求項12に記載の生体検査方法。 - 前記所定の計算式は、
前記二指の開動作に関する前記速度/前記加速度の値と、前記二指の閉動作に関する前記速度/前記加速度の値と、を加算して2で除算した値を前記二指の伸展力に関する機械インピーダンスの値として算出する式、
および、
前記二指の開動作に関する前記速度/前記加速度の値から、前記二指の閉動作に関する前記速度/前記加速度の値を、減算して2で除算した値を前記二指の開閉力に関する機械インピーダンスの値として算出する式、である
ことを特徴とする請求項12に記載の生体検査方法。 - 被験者の片手の二指の開閉動作であるタッピングにおける、前記二指の間の距離、前記二指の速度、前記二指の加速度のいずれかに関する情報である運動情報を検出するタッピング検出装置と、
前記タッピング検出装置から得られた運動情報に基づいて、前記被験者の指運動に関する評価指標を算出する生体検査装置と、を備えた生体検査システムであって、
前記生体検査装置は、
記憶部と、処理部と、を有し、
前記処理部は、
前記タッピング検出装置から得られた運動情報に基づき、
前記二指を開ききった開放状態近傍において、
当該開放状態近傍での前記二指の開運動に関する前記速度の極大値および前記加速度の極大値を、取得または計算し、
当該開放状態近傍での前記二指の閉運動に関する前記速度の極大値および前記加速度の極大値を、取得または計算し、
前記取得または計算した速度および加速度の極大値のそれぞれについて、前記開運動に関する速度の極大値および加速度の極大値の比と、前記閉運動に関する速度の極大値および加速度の極大値の比とを用いて、前記開放状態近傍における前記二指の運動に関する前記評価指標を算出する開放状態近傍での処理と、
前記二指を閉じきった接触状態近傍において、
当該接触状態近傍での前記二指の開運動に関する前記速度の極大値および前記加速度の極大値を、取得または計算し、
当該接触状態近傍での前記二指の閉運動に関する前記速度の極大値および前記加速度の極大値を、取得または計算し、
前記取得または計算した速度および加速度の極大値のそれぞれについて、前記開運動に関する速度の極大値および加速度の極大値の比と、前記閉運動に関する速度の極大値および加速度の極大値の比とを用いて、前記接触状態近傍における前記二指の運動に関する前記評価指標を算出する接触状態近傍での処理と、
の少なくとも一方の処理を行い、当該処理により算出した評価指標を前記記憶部に記憶する
ことを特徴とする生体検査システム。 - 前記評価指標は、
前記開放状態近傍での開運動に関する速度の極大値および加速度の極大値の比と、前記開放状態近傍での閉運動に関する速度の極大値および加速度の極大値の比とを用いた開放状態近傍用の開運動と閉運動それぞれの計算式により算出される、開放状態近傍における前記二指の開運動に関する機械インピーダンス、および、開放状態近傍における前記二指の閉運動に関する機械インピーダンスであるとともに、
前記接触状態近傍での開運動に関する速度の極大値および加速度の極大値の比と、前記接触状態近傍での閉運動に関する速度の極大値および加速度の極大値の比とを用いた接触状態近傍用の開運動と閉運動それぞれの計算式により算出される、接触状態近傍における前記二指の開運動に関する機械インピーダンス、および、接触状態近傍における前記二指の閉運動に関する機械インピーダンスであり、
前記処理部は、
前記二指の開運動に関する機械インピーダンスと、前記二指の閉運動に関する機械インピーダンスと、をさらに前記二指の質量で除算して規格化した値に変換して前記評価指標として算出し、前記記憶部に記憶する
ことを特徴とする請求項16に記載の生体検査システム。 - 前記処理部は、
前記二指の開運動に関する機械インピーダンスと、前記二指の閉運動に関する機械インピーダンスと、をさらにそれぞれの平均値および標準偏差によって正規化した値に変換して前記評価指標として算出する
ことを特徴とする請求項17に記載の生体検査システム。 - 被験者の片手の二指の開閉動作であるタッピングにおける、前記二指の間の距離、前記二指の速度、前記二指の加速度のいずれかに関する情報である運動情報を検出するタッピング検出装置から得られた運動情報に基づいて、前記被験者の指運動に関する評価指標を算出する生体検査装置であって、
記憶部と、処理部と、を有し、
前記処理部は、
前記タッピング検出装置から得られた運動情報に基づき、
前記二指を開ききった開放状態近傍において、
当該開放状態近傍での前記二指の開運動に関する前記速度の極大値および前記加速度の極大値を、取得または計算し、
当該開放状態近傍での前記二指の閉運動に関する前記速度の極大値および前記加速度の極大値を、取得または計算し、
前記取得または計算した速度および加速度の極大値のそれぞれについて、前記開運動に関する速度の極大値および加速度の極大値の比と、前記閉運動に関する速度の極大値および加速度の極大値の比とを用いて、前記開放状態近傍における前記二指の運動に関する前記評価指標を算出する開放状態近傍での処理と、
前記二指を閉じきった接触状態近傍において、
当該接触状態近傍での前記二指の開運動に関する前記速度の極大値および前記加速度の極大値を、取得または計算し、
当該接触状態近傍での前記二指の閉運動に関する前記速度の極大値および前記加速度の極大値を、取得または計算し、
前記取得または計算した速度および加速度の極大値のそれぞれについて、前記開運動に関する速度の極大値および加速度の極大値の比と、前記閉運動に関する速度の極大値および加速度の極大値の比とを用いて、前記接触状態近傍における前記二指の運動に関する前記評価指標を算出する接触状態近傍での処理と、
の少なくとも一方の処理を行い、当該処理により算出した評価指標を前記記憶部に記憶する
ことを特徴とする生体検査装置。 - 被験者の片手の二指の開閉動作であるタッピングにおける、前記二指の間の距離、前記二指の速度、前記二指の加速度のいずれかに関する情報である運動情報を検出するタッピング検出装置から得られた運動情報に基づいて、前記被験者の指運動に関する評価指標を算出する生体検査装置による生体検査方法であって、
前記生体検査装置は、記憶部と、処理部と、を有し、
前記処理部は、
前記タッピング検出装置から得られた運動情報に基づき、
前記二指を開ききった開放状態近傍において、
当該開放状態近傍での前記二指の開運動に関する前記速度の極大値および前記加速度の極大値を、取得または計算し、
当該開放状態近傍での前記二指の閉運動に関する前記速度の極大値および前記加速度の極大値を、取得または計算し、
前記取得または計算した速度および加速度の極大値のそれぞれについて、前記開運動に関する速度の極大値および加速度の極大値の比と、前記閉運動に関する速度の極大値および加速度の極大値の比とを用いて、前記開放状態近傍における前記二指の運動に関する前記評価指標を算出する開放状態近傍での処理と、
前記二指を閉じきった接触状態近傍において、
当該接触状態近傍での前記二指の開運動に関する前記速度の極大値および前記加速度の極大値を、取得または計算し、
当該接触状態近傍での前記二指の閉運動に関する前記速度の極大値および前記加速度の極大値を、取得または計算し、
前記取得または計算した速度および加速度の極大値のそれぞれについて、前記開運動に関する速度の極大値および加速度の極大値の比と、前記閉運動に関する速度の極大値および加速度の極大値の比とを用いて、前記接触状態近傍における前記二指の運動に関する前記評価指標を算出する接触状態近傍での処理と、
の少なくとも一方の処理を行い、当該処理により算出した評価指標を前記記憶部に記憶する
ことを特徴とする生体検査方法。
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